FR3067521A1 - PHOTOVOLTAIC MODULE HAVING SEMI-REFLECTIVE FRONT ELECTRODE WITH IMPROVED CONDUCTIVITY - Google Patents
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Abstract
L invention concerne un module photovoltaïque semi-réfléchissant susceptible d être éclairé par une source de lumière (10) et comportant au moins : (a) un substrat (1) ; (b) une couche mince d un matériau conducteur transparent formant l électrode avant (4) et comportant deux faces appelées face interne (41) et face externe (42) ; (c) une ou plusieurs couches minces semi-conductrices (3) en contact avec la face interne (41) de l électrode transparente () avant de manière à former une ou plusieurs jonctions et appelée absorbeur (3) ; (d) une couche mince métallique (2) formant l électrode arrière et ayant une face en contact avec l absorbeur (3) ; ledit module étant caractérisé en ce que la face externe (42) de l électrode avant (4) est en contact électrique avec une couche mince conductrice semi-réfléchissante (5) apte simultanément à accroître la conductivité de ladite électrode avant, à réfléchir de 20 à 50% de la lumière émise par la source (10) sur tout ou partie de son spectre, et à transmettre le complément de lumière vers l électrode avant (4) pour qu il soit absorbé par l absorbeur (3).The invention relates to a semi-reflective photovoltaic module capable of being illuminated by a light source (10) and comprising at least: (a) a substrate (1); (b) a thin layer of a transparent conductive material forming the front electrode (4) and having two faces called inner face (41) and outer face (42); (c) one or more thin semiconductor layers (3) in contact with the inner face (41) of the forward transparent electrode () to form one or more junctions and called the absorber (3); (d) a thin metal layer (2) forming the back electrode and having a face in contact with the absorber (3); said module being characterized in that the outer face (42) of the front electrode (4) is in electrical contact with a semi-reflective conductive thin layer (5) able simultaneously to increase the conductivity of said front electrode, to reflect from 20 at 50% of the light emitted by the source (10) over all or part of its spectrum, and to transmit the complement of light to the front electrode (4) so that it is absorbed by the absorber (3).
Description
Module photovoltaïque comportant une électrode avant semi-réfléchissante à conductivité amélioréePhotovoltaic module comprising a semi-reflecting front electrode with improved conductivity
Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention
La présente invention se rapporte à un module photovoltaïque semi-réfléchissant qui présente la caractéristique d’avoir une électrode avant à conductivité améliorée.The present invention relates to a semi-reflecting photovoltaic module which has the characteristic of having a front electrode with improved conductivity.
Etat de la techniqueState of the art
L’évolution et l’accessibilité croissante des dispositifs photovoltaïques pour la production d’énergie électrique renouvelable pour le grand public ont conduit les industriels à s’interroger sur l’esthétisme et l’intégrabilité des solutions proposées. Il est connu de l’homme du métier des solutions de modules photovoltaïques semi-transparents répondant à ces critères et décrits par exemple dans le brevet US2016/0126407 A2. Ces solutions présentent l’inconvénient d’être tributaire énergétiquement du taux de transparence recherchée et donc d’être moins performant qu’un module photovoltaïque opaque de technologie photovoltaïque équivalente. Pour résoudre cette problématique, certains industriels ont proposé des solutions de modules photovoltaïques pleins (par opposition aux modules semi-transparents dont la surface active ne représente qu’un pourcentage de la surface totale du module photovoltaïque) recouverts d’un dispositif semi-transparent réfléchissant ou absorbant une partie du flux lumineux incident afin de former une surface colorée ou une image, et transmettant l’autre partie du flux lumineux incident sur le module photovoltaïque, tel que décrit dans le brevet US 8,264,775 B2.The evolution and the increasing accessibility of photovoltaic devices for the production of renewable electrical energy for the general public have led manufacturers to question the aesthetics and the integrability of the solutions offered. It is known to those skilled in the art of semi-transparent photovoltaic module solutions meeting these criteria and described for example in patent US2016 / 0126407 A2. These solutions have the disadvantage of being energy dependent on the desired transparency rate and therefore of being less efficient than an opaque photovoltaic module of equivalent photovoltaic technology. To solve this problem, some manufacturers have proposed solutions of solid photovoltaic modules (as opposed to semi-transparent modules whose active surface represents only a percentage of the total surface of the photovoltaic module) covered with a semi-transparent reflecting device. or absorbing part of the incident light flux in order to form a colored surface or an image, and transmitting the other part of the incident light flux on the photovoltaic module, as described in patent US 8,264,775 B2.
Il est possible par exemple de laminer un verre imprimé directement sur le module photovoltaïque tel que décrit dans le brevet FR 3004846 A2. Sous certaines conditions de conception, les performances électriques du module photovoltaïque avec verre imprimé laminé peuvent atteindre jusqu’à 90% des performances du module initial.It is possible, for example, to laminate a printed glass directly on the photovoltaic module as described in patent FR 3004846 A2. Under certain design conditions, the electrical performance of the photovoltaic module with laminated printed glass can reach up to 90% of the performance of the initial module.
Il est connu aussi de l’homme du métier d’autres solutions qui consistent à associer des dispositifs photovoltaïques à des filtres colorés comme les filtres interférentiels tels que décrits dans les brevets WO 2014/045141 A2 et WO 2014/045144 A1. Ces solutions, bien que permettant de répondre à la problématique d’esthétisme des panneaux photovoltaïques, mettent en œuvre des procédés de fabrication complexes et coûteux dûs au contrôle des épaisseurs des multiples couches à déposer.It is also known to those skilled in the art to other solutions which consist in associating photovoltaic devices with colored filters such as interference filters as described in patents WO 2014/045141 A2 and WO 2014/045144 A1. These solutions, although making it possible to respond to the aesthetic problem of photovoltaic panels, implement complex and costly manufacturing processes due to the control of the thicknesses of the multiple layers to be deposited.
Pour générer des aspects métalliques neutres ou colorés et semi-transparents, on connaît différentes techniques. La plus connue historiquement est le dépôt d’une couche métallique suffisamment fine pour générer de la semi-transparence. A titre d’exemple, une couche d’or de l’ordre de 24 nm aura un aspect vert-bleuté car une partie des photons de faible longueur d’onde visible (donc de grande énergie) vont pénétrer dans le métal sans interagir avec les électrons de la bande de conduction et vont donc traverser la fine couche d’or.Various techniques are known for generating neutral or colored and semi-transparent metallic aspects. The best known historically is the deposition of a metal layer sufficiently thin to generate semi-transparency. For example, a layer of gold of the order of 24 nm will have a bluish-green appearance because part of the photons of short visible wavelength (therefore high energy) will penetrate the metal without interacting with the electrons in the conduction band and will therefore pass through the thin layer of gold.
D’autres techniques utilisent l’effet plasmonique pour générer le piégeage des photons aux interfaces métal/diélectrique, permettant ainsi une transmission dite extraordinaire de certaines longueurs d’onde en fonction des caractéristiques intrinsèques des interfaces.Other techniques use the plasmonic effect to generate the trapping of photons at metal / dielectric interfaces, thus allowing so-called extraordinary transmission of certain wavelengths according to the intrinsic characteristics of the interfaces.
Une première technique consiste par exemple à utiliser une feuille métallique extrêmement fine et ondulée. Un tel exemple de réalisation est décrit dans la thèse de Jean Sauvage-Vincent, publiée le 24 septembre 2014 sous l’intitulé : « les modes plasmon sur film métallique ondulé, appliqués aux documents de sécurité ». Pour générer ce type de résultat, un réseau sinusoïdal de pas 370 nm, de profondeur 70 nm, et une couche d’argent de 40nm d’épaisseur comprise entre deux couches de polystyrène ont été réalisés. Cependant, les effets visuels générés par ce type de structures présentent une forte variation colorimétrique angulaire. Cet aspect peut être perçu comme un défaut pour les applications de type bardage de bâtiment où l’architecte souhaite souvent que la couleur perçue soit la même quelle que soit la position de l’observateur vis-à-vis dudit bardage.A first technique consists, for example, in using an extremely thin and corrugated metal sheet. Such an exemplary embodiment is described in the thesis of Jean Sauvage-Vincent, published on September 24, 2014 under the title: "plasmon modes on corrugated metal film, applied to security documents". To generate this type of result, a sinusoidal network with a pitch of 370 nm, a depth of 70 nm, and a layer of silver 40nm thick between two layers of polystyrene were made. However, the visual effects generated by this type of structure have a strong angular colorimetric variation. This aspect can be perceived as a defect for applications of building cladding type where the architect often wants the perceived color to be the same regardless of the position of the observer with respect to said cladding.
Une autre méthode consiste à perforer la surface métallique de nano-trous ou de nano-lignes. Cette méthode permet d’augmenter la tolérance angulaire de la colorimétrie recherchée. Par exemple, la publication de l’équipe du Dr Fei Cheng, intitulée « Aluminium plasmonic metamaterials for structural color printing », publiée le 26 mai 2015 au sein de la revue OPTICS EXPRESS, présente des structures générant une couleur déterminée d’apparence stable pour un angle d’observation de plus de 70°. Le dispositif est un dispositif multi-couches metal/diélectrique/métal consistant en une couche de 30 nm d’aluminium (couche supérieure), une couche de 45 nm d’alumine (AI2O3) et une couche d’aluminium dite miroir de 100 nm (couche inférieure). Des réseaux de trous à géométrie triangulaire sont générés dans la couche supérieure métallique. Par exemple pour obtenir la couleur bleue, les trous sont espacés avec une période de 280 nm et ont un rayon de 80 nm. Cependant l’architecture de cette solution ne permet pas d’envisager son intégration à des dispositifs photovoltaïques en face avant desdits dispositifs du fait de la couche miroir opaque à la lumière visible.Another method is to perforate the metal surface with nano-holes or nano-lines. This method increases the angular tolerance of the desired colorimetry. For example, the publication by Dr Fei Cheng's team, entitled “Aluminum plasmonic metamaterials for structural color printing”, published on May 26, 2015 in the journal OPTICS EXPRESS, presents structures generating a determined color with a stable appearance for an observation angle of more than 70 °. The device is a multi-layer metal / dielectric / metal device consisting of a 30 nm layer of aluminum (upper layer), a 45 nm layer of alumina (AI 2 O 3 ) and an aluminum layer called a mirror. 100 nm (bottom layer). Arrays of triangular geometry holes are generated in the upper metallic layer. For example to obtain the blue color, the holes are spaced with a period of 280 nm and have a radius of 80 nm. However, the architecture of this solution does not make it possible to envisage its integration into photovoltaic devices on the front face of said devices due to the mirror layer opaque to visible light.
D’autre part, une bonne conductivité électrique de l’électrode avant est difficile à obtenir lorsque le conducteur doit aussi être très transparent car la transparence est obtenue en général grâce à des épaisseurs très faibles. Cela implique que la section de l’électrode transparente qui est parcourue par le courant électrique est faible et cela engendre une augmentation de la résistivité électrique du matériau. Il est donc nécessaire de faire un compromis entre la forte transparence que l’on souhaite conserver et les grandes performances électriques du dispositif qui diminuent alors d’autant que la transparence augmente. En général, dans les dispositifs photovoltaïques à couches minces, cette surface conductrice et transparente est constituée d’oxydes métalliques en couches minces comme par exemple :On the other hand, good electrical conductivity of the front electrode is difficult to obtain when the conductor must also be very transparent because transparency is generally obtained thanks to very small thicknesses. This implies that the section of the transparent electrode which is traversed by the electric current is small and this generates an increase in the electrical resistivity of the material. It is therefore necessary to make a compromise between the high transparency which it is desired to preserve and the high electrical performance of the device which then decreases as the transparency increases. In general, in thin-film photovoltaic devices, this conductive and transparent surface consists of metallic oxides in thin layers, for example:
SnO2:F : dioxyde d’étain dopé fluor ITO : oxyde d’indiumSnO 2 : F: fluorine-doped tin dioxide ITO: indium oxide
- ZnO : oxyde de zinc.- ZnO: zinc oxide.
Afin d’augmenter leur conductivité, certains oxydes peuvent être dopés avec des métaux, tel que l’oxyde de zinc dopé à l’aluminium. D’autres solutions consistent à leur associer des grilles métalliques telles que décrites dans le brevet FR 3017215 A1. Ces solutions ne cherchent qu’à augmenter la conductivité de ladite électrode en conservant une transparence optimale.In order to increase their conductivity, certain oxides can be doped with metals, such as zinc oxide doped with aluminum. Other solutions consist in associating with them metallic grids as described in patent FR 3017215 A1. These solutions only seek to increase the conductivity of said electrode while retaining optimum transparency.
Buts de l’inventionObjects of the invention
La présente invention vise à résoudre la double problématique d’augmentation de la conductivité électrique de l’électrode transparente dans les dispositifs photovoltaïques en couches minces et de rendre cette surface esthétique en la rendant semiréfléchissante. L’aspect semi-réfléchissant ayant pour objectif de scinder le flux lumineux de telle sorte que préférentiellement 70% du flux lumineux incident soit transmis vers la couche d’absorbeur du dispositif photovoltaïque. L’aspect semi-réfléchissant peut-être coloré, ou former une image. L’aspect semi-réfléchissant comparé aux solutions standards en absorption permet de générer soit un aspect miroir soit des effets colorés plus brillants.The present invention aims to solve the double problem of increasing the electrical conductivity of the transparent electrode in photovoltaic devices in thin layers and to make this surface aesthetic by making it semi-reflective. The semi-reflecting aspect having the objective of splitting the light flux so that preferably 70% of the incident light flux is transmitted to the absorber layer of the photovoltaic device. The semi-reflective aspect can be colored, or form an image. The semi-reflective aspect compared to standard absorption solutions makes it possible to generate either a mirror appearance or brighter colored effects.
Objets de l’inventionObjects of the invention
L’invention a plusieurs objets, qui concernent un module photovoltaïque semi4 réfléchissant, une méthode de fabrication d’un mode de réalisation dudit module, ainsi que son intégration dans des appareils électroniques fixes ou portables.The invention has several objects, which relate to a semi-reflective photovoltaic module, a method of manufacturing an embodiment of said module, as well as its integration into fixed or portable electronic devices.
L’invention a en particulier pour objet un module photovoltaïque semi-réfléchissant comportant au moins :The subject of the invention is in particular a semi-reflective photovoltaic module comprising at least:
(a) un substrat;(a) a substrate;
(b) une couche mince d’un matériau conducteur transparent formant l’électrode avant et comportant deux faces appelées face interne et face externe ;(b) a thin layer of a transparent conductive material forming the front electrode and comprising two faces called the internal face and the external face;
(c) une ou plusieurs couches minces semi-conductrices en contact avec la face interne de l’électrode transparente avant de manière à former une ou plusieurs jonctions et appelée absorbeur ;(c) one or more thin semiconductor layers in contact with the internal face of the transparent front electrode so as to form one or more junctions and called an absorber;
(d) une couche mince métallique formant l’électrode arrière et ayant une face en contact avec l’absorbeur.(d) a thin metallic layer forming the rear electrode and having a face in contact with the absorber.
Ledit module est caractérisé en ce que la face externe de l’électrode avant est en contact électrique avec une couche mince conductrice semi-réfléchissante apte simultanément à accroître la conductivité de ladite électrode avant, à réfléchir de 20 à 50% de la lumière émise par une source de lumière sur tout ou partie de son spectre, et à transmettre le complément de ladite lumière vers l’électrode avant pour qu’il soit absorbé par l’absorbeur.Said module is characterized in that the external face of the front electrode is in electrical contact with a thin semi-reflecting conductive layer capable simultaneously of increasing the conductivity of said front electrode, of reflecting from 20 to 50% of the light emitted by a light source over all or part of its spectrum, and transmitting the complement of said light to the front electrode so that it is absorbed by the absorber.
Par extension et dans toute l’invention, on appelle module photovoltaïque une ou plusieurs cellules photovoltaïques comportant des couches minces agencées de manière à former une diode photovoltaïque entre deux électrodes.By extension and throughout the invention, a photovoltaic module is called one or more photovoltaic cells comprising thin layers arranged so as to form a photovoltaic diode between two electrodes.
Selon les modes de réalisation retenus, l’électrode avant est constituée de graphène ou d’un oxyde conducteur transparent tel que le FTO (oxyde d’étain dopé au fluor), ΙΊΤΟ (oxyde d’indium dopé à l’étain), ΙΊΖΟ (oxyde d’indium et de Zinc), ΓΑΖΟ (oxyde de Zinc dopé à l’Aluminium), le BZO (oxyde de Zinc dopé au Bore), le GZO (oxyde de Zinc dopé au Gallium) ou le ZnO (oxyde de Zinc)According to the embodiments selected, the front electrode consists of graphene or of a transparent conductive oxide such as FTO (tin oxide doped with fluorine), ΙΊΤΟ (indium oxide doped with tin), ΙΊΖΟ (indium and Zinc oxide), ΓΑΖΟ (Zinc oxide doped with Aluminum), BZO (Zinc oxide doped with Boron), GZO (Zinc oxide doped with Gallium) or ZnO (Zinc oxide )
L’électrode arrière est formée d’un ou plusieurs métaux tel que l’aluminium (Al), le nickel (Ni), l’or (Au), l’argent (Ag), le cuivre (Cu), le molybdène (Mo), le chrome (Cr), le titane (Ti) ou le palladium (Pd). La couche d’absorbeur est composée d’un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs inorganiques et/ou organiques, par exemple à base de silicium amorphe ou microcristallin, de GaAs (arséniure de gallium), de CdTe (tellurure de cadmium), de CIGS (cuivre - indium - gallium - sélénium) ou à base de polymères. Il peut s’agir de jonctions de type p-i-n ou p-n, ou encore d’architectures tandem, c’est-à-dire comportant plusieurs couches de matériaux qui absorbent préférentiellement une partie différente du spectre lumineux. Elles peuvent être conçues pour convertir la lumière visible et/ou la lumière ultra-violette et/ou la lumière infrarouge en électricité. Avantageusement, le choix des matériaux semi-conducteurs et de l’épaisseur de l’absorbeur est fonction de la quantité et du spectre de la lumière transmise au travers de l’électrode avant.The rear electrode is formed from one or more metals such as aluminum (Al), nickel (Ni), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), molybdenum ( Mo), chromium (Cr), titanium (Ti) or palladium (Pd). The absorber layer is composed of one or more inorganic and / or organic semiconductor materials, for example based on amorphous or microcrystalline silicon, GaAs (gallium arsenide), CdTe (cadmium telluride), CIGS (copper - indium - gallium - selenium) or based on polymers. It can be p-i-n or p-n type junctions, or even tandem architectures, that is to say comprising several layers of materials which preferentially absorb a different part of the light spectrum. They can be designed to convert visible light and / or ultraviolet light and / or infrared light into electricity. Advantageously, the choice of semiconductor materials and the thickness of the absorber is a function of the quantity and spectrum of the light transmitted through the front electrode.
La couche mince conductrice semi-réfléchissante peut être une couche métallique. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux car les pertes par absorption dans un métal étant faibles, la quasi-totalité de la lumière incidente sur le module photovoltaïque est soit réfléchie à la surface de ladite couche mince métallique, soit transmise vers l’électrode avant transparente pour être absorbée dans l’épaisseur de l’absorbeur directement ou après réflexion sur l’électrode arrière métallique. La partie réfléchie de la lumière a une fonction esthétique pour moduler l’apparence dudit module photovoltaïque et l’autre partie transmise sert directement à produire de l’énergie électrique par effet photovoltaïque.The semi-reflective conductive thin layer may be a metallic layer. This embodiment is particularly advantageous since the absorption losses in a metal are low, almost all of the light incident on the photovoltaic module is either reflected on the surface of said thin metallic layer, or transmitted to the transparent front electrode. to be absorbed in the thickness of the absorber directly or after reflection on the metal rear electrode. The reflected part of the light has an aesthetic function to modulate the appearance of said photovoltaic module and the other transmitted part is used directly to produce electrical energy by photovoltaic effect.
Ladite couche mince conductrice semi-réfléchissante peut être composée d’un ou plusieurs métaux tel que l’aluminium (Al), le nickel (Ni), l’or (Au), l’argent (Ag), le cuivre (Cu), le molybdène (Mo), le chrome (Cr), le titane (Ti) ou le palladium (Pd). En fonction de la nature du métal, il peut y avoir une réflexion privilégiée de certains photons dans le visible, ce qui entraîne une modulation de la couleur du module photovoltaïque perçue par un observateur.Said semi-reflective conductive thin layer may be composed of one or more metals such as aluminum (Al), nickel (Ni), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) , molybdenum (Mo), chromium (Cr), titanium (Ti) or palladium (Pd). Depending on the nature of the metal, there may be a privileged reflection of certain photons in the visible, which leads to a modulation of the color of the photovoltaic module perceived by an observer.
Dans un premier mode de réalisation, la couche mince conductrice semiréfléchissante est une couche plane d’épaisseur comprise entre 3 et 30 nm, avantageusement comprise entre 5 et 10 nm. La planéité de la couche conductrice semiréfléchissante permet une réflexion spéculaire de la lumière, ce qui permet de rendre la surface du module photovoltaïque miroir. Ainsi, l’image d’un objet réfléchi à la surface dudit module n’entraîne pas ou peu de déformations dudit objet. L’épaisseur nanométrique de la couche semi-réfléchissante est calculée, en fonction du matériau, de manière à ce que 20 à 50% de la lumière incidente à la surface du module soit réfléchie. Les méthodes de calcul de ces épaisseurs sont connues de l’homme du métier.In a first embodiment, the semi-reflective conductive thin layer is a plane layer with a thickness between 3 and 30 nm, advantageously between 5 and 10 nm. The flatness of the semireflective conductive layer allows a specular reflection of light, which makes it possible to make the surface of the photovoltaic module mirror. Thus, the image of an object reflected on the surface of said module causes little or no deformation of said object. The nanometric thickness of the semi-reflecting layer is calculated, depending on the material, so that 20 to 50% of the light incident on the surface of the module is reflected. The methods for calculating these thicknesses are known to those skilled in the art.
Selon un mode de réalisation, la couche mince conductrice semi-réfléchissante est composée de deux couches métalliques appelées première et seconde couches métalliques, lesdites couches métalliques étant séparées par une couche diélectrique, la première couche métallique étant en contact avec l’électrode transparente.According to one embodiment, the semi-reflecting conductive thin layer is composed of two metallic layers called first and second metallic layers, said metallic layers being separated by a dielectric layer, the first metallic layer being in contact with the transparent electrode.
Dans un autre mode de réalisation, la couche mince conductrice semiréfléchissante est perforée dans tout ou partie de son épaisseur par une pluralité d'ouvertures de tailles comprises entre 1 et 100 microns appelées microstructures. L’épaisseur de ladite couche peut alors être supérieure à 30 nm. La transmittance de ladite couche est alors contrôlée par la surface totale de l’ensemble des micro-trous. Le module présente alors un aspect réfléchissant de type métallique.In another embodiment, the semi-reflective conductive thin layer is perforated in all or part of its thickness by a plurality of openings of sizes between 1 and 100 microns called microstructures. The thickness of said layer can then be greater than 30 nm. The transmittance of said layer is then controlled by the total surface of all the micro-holes. The module then has a metallic type reflective appearance.
Dans un autre mode de réalisation alternatif, la couche mince conductrice semiréfléchissante est perforée dans tout ou partie de son épaisseur par une pluralité d'ouvertures de tailles inférieures à 1 micron appelées nanostructures. Dans ce mode de réalisation, l’épaisseur du métal peut être supérieure à 50 nm, la transmittance des photons étant assurée au travers des ouvertures par des effets sub-longueurs d'onde appelés effets plasmoniques. Le plasmon de surface généré lors de l’effet plasmonique est classiquement défini comme la variation de l’oscillation collective des électrons à l’interface d’un métal et d’un diélectrique. Pour exciter un plasmon de surface, il convient de garantir l’accord de fréquence entre l’oscillation des électrons et l’onde excitatrice incidente, un couplage aura alors lieu et l’énergie de l’onde excitatrice sera transférée en partie ou en totalité dans le plasmon de surface. En pourcentage, la transmittance de la couche mince conductrice semi-réfléchissante nanostructurée est bien supérieure à la surface globale de toutes les ouvertures rapportée à la surface totale de ladite couche mince. Selon la taille des nanostructures, certains photons sont plus ou moins réfléchis ou transmis en fonction de leur énergie. Cela a pour conséquence de générer des couleurs indépendantes de l’angle d’observation dans une large plage angulaire allant de 0° (observation strictement perpendiculaire à la surface) à plus de 70°, ce qui rend homogène l’aspect de surface dudit module.In another alternative embodiment, the semi-reflective conductive thin layer is perforated in all or part of its thickness by a plurality of openings of sizes less than 1 micron called nanostructures. In this embodiment, the thickness of the metal can be greater than 50 nm, the transmittance of the photons being ensured through the openings by sub-wavelength effects called plasmonic effects. The surface plasmon generated during the plasmonic effect is conventionally defined as the variation of the collective oscillation of electrons at the interface of a metal and a dielectric. To excite a surface plasmon, it is necessary to guarantee the frequency agreement between the oscillation of the electrons and the incident excitation wave, a coupling will then take place and the energy of the excitation wave will be transferred in whole or in part. in the surface plasmon. As a percentage, the transmittance of the nanostructured semi-reflective conductive thin layer is much greater than the overall area of all the openings relative to the total area of said thin layer. Depending on the size of the nanostructures, certain photons are more or less reflected or transmitted depending on their energy. This has the consequence of generating colors independent of the observation angle in a wide angular range going from 0 ° (observation strictly perpendicular to the surface) to more than 70 °, which makes the surface appearance of said module uniform. .
Lesdites nanostructures peuvent être agencées selon un réseau périodique ou pseudo-aléatoire. Avantageusement, lesdites ouvertures sont identiques entre elles et agencées en un réseau ordonné de manière à ce que la transmittance et la réflectivité de la couche mince conductrice semi-réfléchissante soit uniforme sur toute sa surface. Dans ce cas, l’apparence de la surface du module est homogène, ce qui peut être un avantage pour une intégration esthétique du module photovoltaïque. Dans certains modes de réalisation, les nanostructures peuvent avoir la forme de bandes, de cercles ou de polygones, deux nanostructures adjacentes pouvant être séparées par des distances typiquement comprises entre 50 nm et 1000 nm, avantageusement entre 150 nm et 500 nm.Said nanostructures can be arranged according to a periodic or pseudo-random network. Advantageously, said openings are identical to each other and arranged in an ordered network so that the transmittance and the reflectivity of the semi-reflecting thin conductive layer is uniform over its entire surface. In this case, the appearance of the module surface is homogeneous, which can be an advantage for an aesthetic integration of the photovoltaic module. In certain embodiments, the nanostructures can be in the form of bands, circles or polygons, two adjacent nanostructures being able to be separated by distances typically between 50 nm and 1000 nm, advantageously between 150 nm and 500 nm.
Selon un mode de réalisation, lesdites ouvertures sont agencées selon un réseau périodique ou pseudo-aléatoire.According to one embodiment, said openings are arranged according to a periodic or pseudo-random network.
Selon un mode de réalisation, deux ouvertures adjacentes sont séparées par des distances comprises entre 50 et 1000 nm.According to one embodiment, two adjacent openings are separated by distances between 50 and 1000 nm.
Selon un mode de réalisation, les ouvertures ont la forme de bandes, de cercles ou de polygones.According to one embodiment, the openings have the form of bands, circles or polygons.
Selon deux variantes, le substrat est en contact électrique soit avec l’électrode arrière, soit avec la couche mince conductrice semi-réfléchissante. Dans la première configuration, le substrat peut être indifféremment transparent ou opaque, par exemple en aluminium ou en inox. Dans la seconde configuration, le substrat est obligatoirement transparent et peut être constitué d'un matériau inorganique tel que le verre ou bien d’un polymère de type PMMA, PET, polyimide ou polycarbonate. Dans tous les cas de figure, le substrat peut être rigide ou flexible.According to two variants, the substrate is in electrical contact either with the rear electrode or with the thin semi-reflecting conductive layer. In the first configuration, the substrate can be either transparent or opaque, for example made of aluminum or stainless steel. In the second configuration, the substrate is necessarily transparent and can be made of an inorganic material such as glass or of a polymer of PMMA, PET, polyimide or polycarbonate type. In all cases, the substrate can be rigid or flexible.
Selon un autre mode de réalisation, la couche mince conductrice semiréfléchissante est composée d’une couche métallique associée à une couche diélectrique, la couche métallique étant en contact avec l’électrode transparente. L’association de ces deux fines couches permet en fonction des objectifs visés, soit d’augmenter la transparence de la couche métallique seule par effet plasmonique soit de modifier la couleur perçue du module photovoltaïque. Dans le premier cas d’utilisation, on vise à maximiser à la fois la transparence et la conductivité, alors que dans le second cas on favorise l’aspect esthétique du module via la coloration et la conductivité.According to another embodiment, the semi-reflective conductive thin layer is composed of a metal layer associated with a dielectric layer, the metal layer being in contact with the transparent electrode. The association of these two thin layers makes it possible, depending on the objectives, either to increase the transparency of the metal layer alone by plasmonic effect or to modify the perceived color of the photovoltaic module. In the first use case, we aim to maximize both transparency and conductivity, while in the second case we favor the aesthetic aspect of the module via coloring and conductivity.
Selon un autre mode de réalisation, la couche mince conductrice semiréfléchissante est composé de deux couches métalliques appelées première et seconde couches métalliques, lesdites couches métalliques étant séparées par une couche diélectrique, la première couche métallique étant en contact avec l’électrode transparente.According to another embodiment, the thin semireflective conductive layer is composed of two metallic layers called first and second metallic layers, said metallic layers being separated by a dielectric layer, the first metallic layer being in contact with the transparent electrode.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication du module photovoltaïque semi-réfléchissant qui comporte une couche mince métallique nanostructurée, une couche diélectrique et une couche métallique. L’ensemble des trois couches est de plus microstructuré pour permettre de moduler la transmittance de ces trois couches.Another object of the invention relates to a method for manufacturing the semi-reflective photovoltaic module which comprises a thin nanostructured metallic layer, a dielectric layer and a metallic layer. All three layers are also microstructured to allow the transmittance of these three layers to be modulated.
Ledit procédé de fabrication comporte successivement les étapes suivantes:Said manufacturing process successively comprises the following steps:
(i) on approvisionne un substrat comportant plusieurs couches minces formant successivement l’électrode métallique, l’absorbeur et l’électrode transparente ;(i) a substrate is provided with several thin layers successively forming the metal electrode, the absorber and the transparent electrode;
(ii) on dépose successivement sur ladite électrode transparente une première couche métallique, une couche diélectrique et une seconde couche métallique ;(ii) a first metal layer, a dielectric layer and a second metal layer are successively deposited on said transparent electrode;
(iii) on structure une première résine non permanente sur ladite seconde couche métallique pour former un premier masque comportant des nanostructures ;(iii) a first non-permanent resin is structured on said second metal layer to form a first mask comprising nanostructures;
(iv) on grave au travers du premier masque la seconde couche métallique pour aboutir à une seconde couche métallique perforée de nanostructures ;(iv) the second metal layer is etched through the first mask to result in a second metal layer perforated with nanostructures;
(v) on dissout la première résine non permanente formant le premier masque ;(v) dissolving the first non-permanent resin forming the first mask;
(vi) on structure une seconde résine sur ladite seconde couche métallique perforée de nanostructures pour former un second masque comportant des microstructures ;(vi) a second resin is structured on said second metallic layer perforated with nanostructures to form a second mask comprising microstructures;
(vii) on grave au travers du second masque le reste de la seconde couche métallique, la couche diélectrique et la première couche métallique ;(vii) the remainder of the second metallic layer, the dielectric layer and the first metallic layer are etched through the second mask;
(viii) optionnellement on dissout la seconde résine formant le second masque.(viii) optionally dissolving the second resin forming the second mask.
Un autre objet de l’invention concerne un appareil fixe ou portable qui intègre un module photovoltaïque semi-réfléchissant selon l'invention. Cet appareil peut être notamment un téléphone, une montre, une liseuse ou livre électronique, ou encore un ordinateur.Another object of the invention relates to a fixed or portable device which incorporates a semi-reflecting photovoltaic module according to the invention. This device can in particular be a telephone, a watch, an e-reader or electronic book, or even a computer.
Enfin un dernier objet de l’invention concerne un bâtiment qui intègre en façade un module photovoltaïque semi-réfléchissant selon l’invention.Finally, a final object of the invention relates to a building which incorporates a semi-reflective photovoltaic module according to the invention on the facade.
Figuresfigures
L’invention sera mieux comprise à l’aide de sa description détaillée, en relation avec les figures, dans lesquelles :The invention will be better understood with the aid of its detailed description, in relation to the figures, in which:
La figure 1A est un schéma d’une vue en coupe d’une portion de module photovoltaïque à base de silicium amorphe éclairée par une source lumineuse.FIG. 1A is a diagram of a sectional view of a portion of photovoltaic module based on amorphous silicon illuminated by a light source.
La figure 1B est un schéma d’une vue en coupe d’une portion de module photovoltaïque à base de CIGS éclairé par une source lumineuse.FIG. 1B is a diagram of a sectional view of a portion of a CIGS-based photovoltaic module lit by a light source.
La figure 2A est un schéma d’une vue en coupe d’une portion de module photovoltaïque d’architecture similaire à celle présentée à la figure 1A au sein duquel la conductivité a été améliorée par la présence d’une couche additionnelle fine métallique.FIG. 2A is a diagram of a sectional view of a portion of photovoltaic module of architecture similar to that presented in FIG. 1A in which the conductivity has been improved by the presence of an additional thin metallic layer.
La figure 2B est un schéma d’une vue en coupe d’une portion de module photovoltaïque d’architecture similaire à celle présentée à la figure 1B au sein duquel la conductivité a été améliorée par la présence d’une couche additionnelle fine métallique.FIG. 2B is a diagram of a sectional view of a portion of photovoltaic module of architecture similar to that presented in FIG. 1B in which the conductivity has been improved by the presence of an additional thin metallic layer.
La figure 3 est un schéma d’une vue en coupe d’une portion de module photovoltaïque d’architecture similaire à la figure 1B au sein duquel la conductivité a été améliorée par la présence d’un ensemble multicouches micro et nano-structurées.FIG. 3 is a diagram of a sectional view of a portion of photovoltaic module of architecture similar to FIG. 1B in which the conductivity has been improved by the presence of a micro and nano-structured multilayer assembly.
Les figures 4A et 4B sont des schémas d’une vue en coupe d’une portion de module photovoltaïque lors des étapes permettant la fabrication d’un module dont l’architecture est présentée à la figure 3.FIGS. 4A and 4B are diagrams of a sectional view of a portion of a photovoltaic module during the steps allowing the manufacture of a module whose architecture is presented in FIG. 3.
Description détailléedetailed description
La portion d’un module photovoltaïque de la figure 1A est composée :The portion of a photovoltaic module in Figure 1A is composed:
- d’un substrat transparent (1) de verre ;- a transparent glass substrate (1);
- d’une électrode avant (4) transparente conductrice en dioxyde d’étain dopé au fluor (SnO2:F) ;- a transparent front electrode (4) made of fluorine-doped tin dioxide (SnO 2 : F);
- d’un absorbeur (3) formé au moins d’une couche de silicium amorphe (aSi) formant une ou plusieurs jonctions n i p ;- an absorber (3) formed at least of a layer of amorphous silicon (aSi) forming one or more junctions n i p;
- d'une électrode arrière (2) conductrice métallique composée d’aluminium (Al).- a metal conductive rear electrode (2) made of aluminum (Al).
La portion d’un module photovoltaïque de la figure 1B est composée :The portion of a photovoltaic module in Figure 1B is composed:
- d’un substrat transparent (1) de verre ;- a transparent glass substrate (1);
- d’une électrode arrière (2) métallique en molybdène (Mo);- a metal rear molybdenum (Mo) electrode (2);
- d’une couche photo-active généralement appelée absorbeur (3) et constituée de CIGS (alliage de cuivre, d’indium, de gallium et de sélénium);- a photoactive layer generally called absorber (3) and made up of CIGS (alloy of copper, indium, gallium and selenium);
- d’une électrode avant (4) conductrice transparente en oxyde de zinc (ZnO).- a transparent conductive front electrode (4) made of zinc oxide (ZnO).
L’épaisseur de chaque couche mince varie de quelques centaines de nanomètres à quelques microns. Les cellules sont éclairées par une source lumineuse (10) faisant préférentiellement face à la face externe (42) de l’électrode avant alors que la face interne (41) est en contact avec l’absorbeur (3).The thickness of each thin layer varies from a few hundred nanometers to a few microns. The cells are illuminated by a light source (10) preferably facing the external face (42) of the front electrode while the internal face (41) is in contact with the absorber (3).
La figure 2A est un schéma d’une portion de module photovoltaïque telle que présentée à la figure 1A dans laquelle on a déposé une fine couche métallique (5) entre le substrat (1) et la face externe (42) de l’électrode avant (4) transparente. La figure 2B est un schéma d’une portion de module photovoltaïque telle que présentée à la figure 1B sur laquelle on a déposé une fine couche métallique (5) sur la face externe (42) de l’électrode avant (4) transparente.FIG. 2A is a diagram of a portion of a photovoltaic module as presented in FIG. 1A in which a thin metallic layer (5) has been deposited between the substrate (1) and the external face (42) of the front electrode (4) transparent. FIG. 2B is a diagram of a portion of a photovoltaic module as shown in FIG. 1B on which a thin metal layer (5) has been deposited on the external face (42) of the transparent front electrode (4).
Dans les deux cas, cette fine couche métallique (5) est une couche mince semiréfléchissante qui, lorsque le module est éclairé par une source de lumière (10), permet simultanément :In both cases, this thin metallic layer (5) is a thin semi-reflecting layer which, when the module is illuminated by a light source (10), simultaneously allows:
- d’augmenter la conductivité de l’électrode avant (4) ;- to increase the conductivity of the front electrode (4);
- de générer un effet miroir sur l’ensemble du module photovoltaïque ;- generate a mirror effect on the entire photovoltaic module;
- de transmettre plus de 50% de la lumière incidente dans tout ou partie du spectre de ladite lumière.- to transmit more than 50% of the incident light in all or part of the spectrum of said light.
A titre d’exemple, il est possible d’utiliser comme couche mince semi-réfléchissante une fine couche d’argent de 22 nm. La transmission de la couche d’argent est d’environ :For example, it is possible to use as a thin semi-reflective layer a thin layer of silver of 22 nm. The transmission of the silver layer is about:
- 50% pour la longueur d’onde 460 nm ;- 50% for the wavelength 460 nm;
- 40% pour la longueur d’onde 540 nm ;- 40% for the wavelength 540 nm;
- 30% pour la longueur d’onde 640 nm.- 30% for the wavelength 640 nm.
Un effet miroir sera alors perceptible par un utilisateur observant ledit module du côte de la face avant éclairée par la source lumineuse (10). La couleur si elle ne paraît pas argentée, dépendra en outre de la nature et de l’épaisseur de l’électrode avant (4), ainsi que des couches de l’absorbeur (3).A mirror effect will then be perceptible by a user observing said module from the side of the front face illuminated by the light source (10). The color if it does not appear silvery, will also depend on the nature and thickness of the front electrode (4), as well as the layers of the absorber (3).
Optionnellement, il est possible d’associer une fine couche de diélectrique (non représentée ici) à ladite fine couche métallique. Ladite fine couche métallique (5) est alors en contact d’une part avec ladite fine couche diélectrique et d’autre part avec la face externe (42) de l’électrode transparente. La fine couche de diélectrique peut être directement pulvérisée sur la fine couche métallique ou inversement en fonction du procédé de fabrication et de l’architecture du module photovoltaïque. L’association de ces deux fines couches permet en fonction des objectifs visés, soit d’augmenter la transparence de la couche métallique (5) seule par effet plasmonique, soit de modifier la couleur perçue du module photovoltaïque. Dans le premier cas d’utilisation, on vise à maximiser à la fois la transparence et la conductivité, alors que dans le second cas on favorise l’aspect esthétique du module via la coloration et la conductivité.Optionally, it is possible to associate a thin layer of dielectric (not shown here) with said thin metal layer. Said thin metal layer (5) is then in contact on the one hand with said thin dielectric layer and on the other hand with the external face (42) of the transparent electrode. The thin layer of dielectric can be sprayed directly onto the thin metal layer or vice versa depending on the manufacturing process and the architecture of the photovoltaic module. The association of these two thin layers makes it possible, depending on the objectives, either to increase the transparency of the metal layer (5) alone by plasmonic effect, or to modify the perceived color of the photovoltaic module. In the first use case, we aim to maximize both transparency and conductivity, while in the second case we favor the aesthetic aspect of the module via coloring and conductivity.
La figure 3 est un schéma d’une portion d’un module photovoltaïque telle que présentée à la figure 1B sur laquelle on a déposé successivement trois couches de type métal(5)/diélectrique(6)/métal(7) sur la face externe (42) de l’électrode transparente (4). La couche métallique externe (7) est une fine couche métallique dont l’épaisseur est comprise entre 2 nm et 30 nm. L’épaisseur de la couche diélectrique (6) est fonction de l’épaisseur de ladite couche métallique externe, mais est préférentiellement inférieure à 100 nm. La couche métallique interne (5) en contact avec l’électrode avant (4) a une épaisseur telle que cette couche métallique présente un taux de réflexion du spectre visible supérieur à 90%. Ladite couche a préférentiellement une épaisseur supérieure à 50 nm. L’ensemble de ces trois couches peut donc être considéré comme opaque. Afin de le rendre semi-transparent à la lumière visible, ledit ensemble est microstructuré. Cette microstructuration se matérialise par la réalisation d’ouvertures (11) dans les trois couches ce qui permet de contrôler la transmittance dudit ensemble.FIG. 3 is a diagram of a portion of a photovoltaic module as presented in FIG. 1B on which three layers of metal (5) / dielectric (6) / metal (7) type have been successively deposited on the external face (42) of the transparent electrode (4). The outer metallic layer (7) is a thin metallic layer whose thickness is between 2 nm and 30 nm. The thickness of the dielectric layer (6) is a function of the thickness of said external metal layer, but is preferably less than 100 nm. The internal metal layer (5) in contact with the front electrode (4) has a thickness such that this metal layer has a reflection rate of the visible spectrum greater than 90%. Said layer preferably has a thickness greater than 50 nm. All of these three layers can therefore be considered opaque. In order to make it semi-transparent to visible light, said assembly is microstructured. This microstructuring is materialized by the production of openings (11) in the three layers which makes it possible to control the transmittance of said assembly.
La nanostructuration de la couche métallique externe (7) en association avec la couche diélectrique (6) permet de créer un effet plasmonique permettant la gestion de la transmission et de la réflexion de tout ou partie du spectre visible au travers des deux couches métal (7) nanostructuré/diélectrique (6). Cet ensemble permet le contrôle de la couleur perçue du module photovoltaïque.The nanostructuring of the external metallic layer (7) in association with the dielectric layer (6) makes it possible to create a plasmonic effect allowing the management of the transmission and the reflection of all or part of the visible spectrum through the two metal layers (7 ) nanostructured / dielectric (6). This set allows the control of the perceived color of the photovoltaic module.
Cet ensemble de couches multiples micro et nano-structurées génère un effet de type miroir coloré, tout en augmentant la conductivité de l’électrode avant (4).This set of multiple micro and nano-structured layers generates a colored mirror-like effect, while increasing the conductivity of the front electrode (4).
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication du module photovoltaïque semi-transparent selon un mode de réalisation particulier de l’invention.Another object of the invention relates to a method for manufacturing the semi-transparent photovoltaic module according to a particular embodiment of the invention.
Les figures 4A, 4B, illustrent plusieurs objets issus de différentes étapes dudit procédé. La première étape consiste à approvisionner un substrat (1) portant plusieurs couches minces formant successivement l’électrode métallique (2), l’absorbeur (3) et l’électrode avant (4) transparente (figure 1B). L’étape suivante consiste à déposer successivement sur ladite électrode avant (4) transparente une première couche métallique (5), une couche d’un matériau diélectrique (6), et une seconde couche métallique (7) (figure 4A). Les techniques de dépôt de métaux ou de diélectriques sous vide ou en solution sont connues de l’homme du métier.Figures 4A, 4B illustrate several objects from different stages of said method. The first step consists in supplying a substrate (1) carrying several thin layers successively forming the metallic electrode (2), the absorber (3) and the transparent front electrode (4) (FIG. 1B). The next step consists in successively depositing on said transparent front electrode (4) a first metallic layer (5), a layer of dielectric material (6), and a second metallic layer (7) (FIG. 4A). The techniques for depositing metals or dielectrics under vacuum or in solution are known to those skilled in the art.
On structure ensuite une première résine non permanente sur ladite seconde couche métallique (7) pour former un premier masque (non représenté) comportant des nanostructures circulaires. Les techniques usuelles de photolithographie ou de lithographie par nanoimpression (plus connue sous le terme anglais « Nano-lmprint Lithography ») permettent de réaliser un tel masque et sont également connues de l’homme du métier. L’étape suivante consiste à graver au travers du premier masque la seconde couche métallique (7) pour aboutir à une seconde couche métallique perforée de nanostructures circulaires (8) qui ont un lien direct, de par leurs formes et leurs dimensions, avec les nanostructures du premier masque. La gravure chimique peut se faire par voie liquide ou par voie sèche. On dissout par la suite la première résine non permanente formant le premier masque pour aboutir à l’objet représenté sur la figure 4B. On procède ensuite à la structuration d’une seconde résine sur ladite seconde couche métallique (7) perforée de nanostructures, pour former un second masque (non représenté) comportant des microstructures sous la forme de bandes. Enfin, on grave au travers du second masque le reste de la seconde couche métallique (7), la couche diélectrique (6) et la première couche métallique (5) pour aboutir à des ouvertures complètes (11) dans l’épaisseur des trois couches (5,6,7) précédemment gravées. Ces ouvertures (11) sont des microsillons qui correspondent, de par leurs formes et leurs dimensions, aux microstructures du second masque. Optionnellement, si la seconde résine employée pour la réalisation du deuxième masque est non permanente, on peut dissoudre ladite seconde résine pour aboutir à l’objet représenté sur la figure 3. Dans une variante non représentée, la seconde résine permanente peut faire partie intégrante du module photovoltaïque semi-transparent.A first non-permanent resin is then structured on said second metal layer (7) to form a first mask (not shown) comprising circular nanostructures. The usual techniques of photolithography or lithography by nanoimpression (better known under the English term "Nano-lmprint Lithography") make it possible to produce such a mask and are also known to those skilled in the art. The next step consists in etching through the first mask the second metallic layer (7) to result in a second metallic layer perforated with circular nanostructures (8) which have a direct link, by their shapes and dimensions, with the nanostructures of the first mask. Chemical etching can be done by liquid or dry process. The first non-permanent resin is subsequently dissolved forming the first mask to result in the object shown in FIG. 4B. Next, a second resin is structured on said second metal layer (7) perforated with nanostructures, to form a second mask (not shown) comprising microstructures in the form of strips. Finally, the remainder of the second metallic layer (7), the dielectric layer (6) and the first metallic layer (5) are etched through the second mask to result in complete openings (11) in the thickness of the three layers. (5,6,7) previously engraved. These openings (11) are microgrooves which correspond, by their shapes and dimensions, to the microstructures of the second mask. Optionally, if the second resin used for the production of the second mask is non-permanent, said second resin can be dissolved to result in the object shown in FIG. 3. In a variant not shown, the second permanent resin can be an integral part of the semi-transparent photovoltaic module.
Liste des repères utilisés sur les figures :List of references used in the figures:
Avantages de l’inventionAdvantages of the invention
Il résulte de ce qui précède que l’invention atteint les buts fixés. Elle décrit un module photovoltaïque dont la conductivité est améliorée par la présence d’une couche mince semi-réfléchissante et dont l’aspect esthétique est contrôlé. L’aspect esthétique, en fonction des architectures, peut être à effet miroir, à effet coloré, ou à effet miroir coloré.It follows from the above that the invention achieves the set goals. It describes a photovoltaic module whose conductivity is improved by the presence of a thin semi-reflective layer and whose aesthetic appearance is controlled. The aesthetic aspect, depending on the architecture, can be mirror effect, colored effect, or colored mirror effect.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1700607A FR3067521A1 (en) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | PHOTOVOLTAIC MODULE HAVING SEMI-REFLECTIVE FRONT ELECTRODE WITH IMPROVED CONDUCTIVITY |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1700607 | 2017-06-08 | ||
| FR1700607A FR3067521A1 (en) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | PHOTOVOLTAIC MODULE HAVING SEMI-REFLECTIVE FRONT ELECTRODE WITH IMPROVED CONDUCTIVITY |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3067521A1 true FR3067521A1 (en) | 2018-12-14 |
Family
ID=60923518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1700607A Withdrawn FR3067521A1 (en) | 2017-06-08 | 2017-06-08 | PHOTOVOLTAIC MODULE HAVING SEMI-REFLECTIVE FRONT ELECTRODE WITH IMPROVED CONDUCTIVITY |
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| Country | Link |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120204933A1 (en) * | 2010-02-19 | 2012-08-16 | Toray Engineering Co., Ltd. | Solar cell module |
| DE102014216792A1 (en) * | 2014-08-22 | 2016-02-25 | Ewe-Forschungszentrum Für Energietechnologie E. V. | Method for producing a transparent electrode of an optoelectronic component |
-
2017
- 2017-06-08 FR FR1700607A patent/FR3067521A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120204933A1 (en) * | 2010-02-19 | 2012-08-16 | Toray Engineering Co., Ltd. | Solar cell module |
| DE102014216792A1 (en) * | 2014-08-22 | 2016-02-25 | Ewe-Forschungszentrum Für Energietechnologie E. V. | Method for producing a transparent electrode of an optoelectronic component |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MARTIN THEURING ET AL: "AZO-Ag-AZO transparent electrode for amorphous silicon solar cells", THIN SOLID FILMS, vol. 558, 1 May 2014 (2014-05-01), AMSTERDAM, NL, pages 294 - 297, XP055465829, ISSN: 0040-6090, DOI: 10.1016/j.tsf.2014.02.042 * |
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